¿Cuáles son algunos hechos alucinantes sobre la física de partículas?

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El tiempo se detiene a la velocidad de la luz

De acuerdo con la Teoría de la relatividad especial de Einstein, la velocidad de la luz nunca puede cambiar, siempre está atascada a aproximadamente 300,000,000 metros / segundo, sin importar quién la esté observando. Esto en sí mismo es lo suficientemente increíble, dado que nada puede moverse más rápido que la luz, pero sigue siendo muy teórico. La parte realmente genial de la Relatividad Especial es una idea llamada dilatación del tiempo, que establece que cuanto más rápido va, más lento pasa para usted en relación con su entorno. En serio: si vas a dar un paseo en tu automóvil durante una hora, habrás envejecido un poco menos que si te hubieras sentado en casa con la computadora. Los nanosegundos adicionales que obtienes pueden no valer el precio del gas, pero bueno, es una opción.

Por supuesto, el tiempo solo puede ralentizarse tanto, y la fórmula funciona de manera que si te mueves a la velocidad de la luz, el tiempo no se mueve en absoluto. Ahora, antes de salir y probar un esquema de obtención rápida inmortal, solo tenga en cuenta que moverse a la velocidad de la luz no es realmente posible, a menos que esté hecho de luz. Técnicamente hablando, moverse tan rápido requeriría una cantidad infinita de energía (y por mi parte, no tengo ese tipo de jugo simplemente por ahí).

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Entrelazamiento cuántico

Muy bien, entonces acabamos de acordar que nada puede moverse más rápido que la velocidad de la luz, ¿verdad? Bueno … si y no. Si bien eso es técnicamente cierto, al menos en teoría, resulta que hay una laguna en la rama alucinante de la física conocida como mecánica cuántica.

La mecánica cuántica, en esencia, es el estudio de la física a escala microscópica, como el comportamiento de las partículas subatómicas. Este tipo de partículas son imposiblemente pequeñas, pero muy importantes, ya que forman los bloques de construcción para todo en el universo. Dejaré los detalles técnicos a un lado por ahora (se vuelve bastante complicado), pero puedes imaginarlos como canicas pequeñas, giratorias y cargadas eléctricamente. De acuerdo, tal vez eso también sea un poco complicado. Solo rueda con él (juego de palabras).

Digamos que tenemos dos electrones (una partícula subatómica con carga negativa). El entrelazamiento cuántico es un proceso especial que involucra emparejar estas partículas de tal manera que se vuelvan idénticas (canicas con el mismo giro y carga). Cuando esto sucede, las cosas se ponen raras, porque a partir de ahora, estos electrones permanecen idénticos. Esto significa que si cambia uno de ellos, por ejemplo, gírelo en la otra dirección, su gemelo reacciona exactamente de la misma manera. Instantáneamente. No importa donde sea. Sin siquiera tocarlo. Las implicaciones de este proceso son enormes: significa que la información (en este caso, la dirección de giro) se puede teletransportar esencialmente a cualquier parte del universo.

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La luz se ve afectada por la gravedad

Pero volvamos a la luz por un minuto y hablemos de la Teoría de la Relatividad General esta vez (también de Einstein). Éste implica una idea llamada desviación de la luz, que es exactamente lo que parece: el camino de un haz de luz no es del todo recto.

Por extraño que parezca, se ha demostrado en varias ocasiones (Einstein incluso recibió un desfile en su honor por predecirlo correctamente). Lo que significa es que, aunque la luz no tiene ninguna masa, su camino se ve afectado por cosas que sí lo hacen, como el sol. Entonces, si un haz de luz de, por ejemplo, una estrella lejana pasa lo suficientemente cerca del sol, en realidad se doblará ligeramente a su alrededor. El efecto en un observador, como nosotros, es que vemos la estrella en un lugar diferente del cielo de lo que realmente se encuentra (al igual que los peces en un lago nunca están en el lugar donde parecen estar). Recuerde que la próxima vez que mire a las estrellas, todo podría ser solo un truco de la luz.

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Materia oscura

Gracias a algunas de las teorías que ya hemos discutido (más muchas que no hemos discutido), los físicos tienen algunas formas bastante precisas de medir la masa total presente en el universo. También tienen algunas formas bastante precisas de medir la masa total que podemos observar, y aquí está el giro: los dos números no coinciden.

De hecho, la cantidad de masa total en el universo es mucho mayor que la masa total que realmente podemos explicar. Los físicos se vieron obligados a encontrar una explicación para esto, y la teoría principal en este momento involucra a la materia oscura, una sustancia misteriosa que no emite luz y representa aproximadamente el 95% de la masa en el universo. Si bien no se ha demostrado formalmente que exista (porque no podemos verlo), la materia oscura está respaldada por una tonelada de evidencia, y tiene que existir de una forma u otra para explicar el universo.

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Nuestro universo se está expandiendo rápidamente

Aquí es donde las cosas se ponen un poco confusas, y para entender por qué, tenemos que volver a la teoría del Big Bang. Antes de que fuera un programa de televisión, la teoría del Big Bang era una explicación importante para el origen de nuestro universo. En la analogía más simple posible, funcionó más o menos así: el universo comenzó como una explosión. Los escombros (planetas, estrellas, etc.) fueron arrojados en todas direcciones, impulsados ​​por la enorme energía de la explosión. Debido a que todos estos escombros son tan pesados ​​y, por lo tanto, se ven afectados por la gravedad de todo lo que hay detrás, esperaríamos que esta explosión se desacelere después de un tiempo.

No lo hace. De hecho, la expansión de nuestro universo en realidad se está volviendo más rápida con el tiempo, lo cual es tan loco como si tiraras una pelota de béisbol que se volvía cada vez más rápido en lugar de caer al suelo (aunque no lo intentes en casa). Esto significa, en efecto, que el espacio siempre está creciendo. La única forma de explicar esto es con la materia oscura o, más exactamente, la energía oscura, que es la fuerza impulsora detrás de esta aceleración cósmica. Entonces, ¿qué demonios es la energía oscura? Bueno, eso es otra cosa interesante …

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Toda la materia es solo energía

Es cierto: la materia y la energía son solo dos caras de la misma moneda. De hecho, has sabido esto toda tu vida, si alguna vez has oído hablar de la fórmula E = mc ^ 2. La E es para energía, y la m representa masa. La cantidad de energía contenida en una cantidad particular de masa está determinada por el factor de conversión c al cuadrado, donde c representa, espere, la velocidad de la luz.

La explicación de este fenómeno es realmente fascinante, y tiene que ver con el hecho de que la masa de un objeto aumenta a medida que se acerca a la velocidad de la luz (incluso cuando el tiempo se está desacelerando). Sin embargo, es bastante complicado, por lo que para los fines de este artículo, simplemente te aseguraré que es cierto. Para prueba (desafortunadamente), no busque más allá de las bombas atómicas, que convierten cantidades muy pequeñas de materia en cantidades muy grandes de energía.

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Dualidad onda-partícula

Hablando de cosas que son otras cosas …

A primera vista, las partículas (como un electrón) y las ondas (como la luz) no podrían ser más diferentes. Uno es un trozo sólido de materia, y el otro es un haz de energía radiante, más o menos. Son manzanas y naranjas. Pero resulta que cosas como la luz y los electrones no pueden limitarse a un solo estado de existencia: actúan como partículas y ondas, dependiendo de quién esté mirando.

No en serio. Sé que suena ridículo (y sonará aún más loco cuando lleguemos al número 1), pero hay evidencia concreta que prueba que la luz es una onda, y otra evidencia concreta que prueba que la luz es una partícula (lo mismo para los electrones). Es solo … ambos. Al mismo tiempo. No es una especie de estado intermedio entre los dos, fíjate, físicamente ambos, en el sentido de que puede ser cualquiera. No se preocupe si eso no tiene mucho sentido, porque estamos de vuelta en el ámbito de la mecánica cuántica, y a ese nivel, al universo no le gusta que tenga sentido de todos modos.

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Todos los objetos caen a la misma velocidad

Calmemos las cosas por un segundo, porque la física moderna es mucho para asimilar a la vez. Eso está bien: la física clásica también demostró algunos conceptos geniales.

Sería perdonado por suponer que los objetos más pesados ​​caen más rápido que los más livianos; suena como sentido común y, además, sabe con certeza que una bola de boliche cae más rápido que una pluma. Y esto es cierto, pero no tiene nada que ver con la gravedad; la única razón por la que esto ocurre es porque la atmósfera de la Tierra proporciona resistencia. En realidad, como Galileo se dio cuenta por primera vez hace unos 400 años, la gravedad funciona igual en todos los objetos, independientemente de su masa. Lo que esto significa es que si repites el experimento de la pluma / bola de boliche en la luna (que no tiene atmósfera), tocarían el suelo al mismo tiempo.

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Espuma cuántica

Muy bien, quiebre. Las cosas se van a poner raras otra vez.

Lo que pasa con el espacio vacío, pensarías, es que está vacío. Eso suena como una suposición bastante segura: está en el nombre, después de todo. Pero sucede que el universo es demasiado inquieto para soportarlo, por lo que las partículas constantemente aparecen y desaparecen en todo el lugar. Se llaman partículas virtuales, pero no se equivoquen: son reales y están probadas. Existen solo por una fracción de segundo, lo cual es lo suficientemente largo como para romper algunas leyes fundamentales de la física, pero lo suficientemente rápido como para que esto realmente no importe (como si robaras algo de una tienda, pero lo vuelves a colocar en el estante medio día). segundo después). Los científicos han llamado a este fenómeno ‘espuma cuántica’ porque aparentemente les recordó las burbujas cambiantes en la cabeza de un refresco.

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El experimento de la doble rendija

Entonces, ¿recuerdas algunas entradas, cuando dije que todo era una onda y una partícula al mismo tiempo? Por supuesto que sí, has estado siguiendo meticulosamente. Pero aquí está la otra cosa, ya sabes por experiencia que las cosas tienen formas definidas, una manzana en tu mano es una manzana, no una cosa extraña de onda de manzana. Entonces, ¿qué hace que algo se convierta definitivamente en una partícula o una onda? Como resultado, lo hacemos.

El experimento de la doble rendija es lo más loco que leerás todo el día, y funciona así: los científicos configuraron una pantalla con dos rendijas frente a una pared y dispararon un rayo de luz a través de las rendijas para que pudieran ver donde golpeó la pared. Tradicionalmente, con la luz como una onda, exhibiría algo llamado patrón de difracción, y verías una banda de luz esparcida a través de la pared. Ese es el valor predeterminado: si configura el experimento ahora mismo, eso es lo que vería.

Pero no es así como las partículas reaccionarían a una doble rendija: simplemente pasarían directamente para crear dos líneas en la pared que coincidan con las rendijas. Y si la luz es una partícula, ¿por qué no exhibe esta propiedad en lugar de un patrón de difracción? La respuesta es que sí, pero solo si queremos que lo haga. Vea, como una onda, la luz viaja a través de ambas ranuras al mismo tiempo, pero como una partícula, solo puede viajar a través de una. Entonces, si queremos que actúe como una partícula, todo lo que tenemos que hacer es configurar una herramienta para medir exactamente qué hendidura atraviesa cada bit de luz (llamado fotón). Piense en ello como una cámara: si toma una fotografía de cada fotón a medida que pasa a través de una sola rendija, entonces ese fotón no puede haber pasado por ambas rendijas y, por lo tanto, no puede ser una onda. Como resultado, el patrón de interferencia en la pared no aparecerá, las dos líneas sí lo harán. La luz habrá actuado como una partícula simplemente porque colocamos una cámara frente a ella. Cambiamos físicamente el resultado con solo medirlo.

Se llama el efecto Observador, en general, y aunque es una buena manera de terminar este artículo, ni siquiera rasca la superficie de locuras que se encuentran en la física. Por ejemplo, hay un montón de variaciones del experimento de doble rendija que son aún más locos que el que mencioné aquí. Te animo a buscarlos, pero solo si estás preparado para pasar todo el día atrapado en la mecánica cuántica.

Shaik 🙂

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